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AISI52100軸承鋼棒材生產(chǎn)新技術(shù)
發(fā)布人：上海艾荔艾金屬材料有限公司www.jshcn.cn
更新時(shí)間：2015-02-04
AISI52100軸承鋼碳含量為1%，鉻含量1.5 %，通常以球化退火或軟化退火狀態(tài)供貨。球化退火狀態(tài)的材料顯微組織，非常適合于象鉆孔和切削這樣的機(jī)械加工。
為了降低軸承總體生產(chǎn)成本，就要求在開始用于制造軸承元件之前，不需要進(jìn)行任何熱處理。通常，它所需要進(jìn)行的熱處理是一種軟化退火/球化退火，以使鋸切和冷剪切得以順利進(jìn)行，而不會(huì)縮短此類加工設(shè)備的使用壽命。自1980年以來，對(duì)采用熱機(jī)械軋制工藝生產(chǎn)、用于直接拉拔或冷鍛的低合金鋼材料，進(jìn)行過各種不同的試驗(yàn)研究。對(duì)高碳鋼和軸承進(jìn)行的其它試驗(yàn)研究，則考慮到在接近于奧氏體已經(jīng)開始轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w的臨界溫度下進(jìn)行軋制的可能性。在現(xiàn)有工業(yè)生產(chǎn)條件下采用這種軋制方法存在一定困難，因?yàn)樗枰垯C(jī)擁有很大的軋制力和較大的機(jī)架結(jié)構(gòu)尺寸，因此需要使用一種專用軋機(jī)。
從而使軋制產(chǎn)品在鋸切或冷剪切這樣的后續(xù)加工過程中，不需要任何中間熱處理。所有的試驗(yàn)研究全部在ABS鋼廠和達(dá)涅利試驗(yàn)室進(jìn)行。目前，在線退火處理和淬火回火已在ABS鋼廠運(yùn)行正常。
ABS-Luna鋼廠年設(shè)計(jì)產(chǎn)能力50萬t特殊鋼，小時(shí)產(chǎn)能90?t/h。產(chǎn)品規(guī)格包括Φ20mm~Φ100mm直徑圓鋼棒材、40mm~100mm方鋼、符合用戶要求卷重的Φ15mm~Φ50mm直徑棒材大盤卷。生產(chǎn)鋼種包括范圍廣泛的各類機(jī)械和汽車制造用鋼。連鑄矩形坯規(guī)格為200mm×160mm，由一臺(tái)兩流高速矩形坯連鑄機(jī)生產(chǎn)。軋機(jī)由17架緊湊式無牌坊機(jī)架組成，采用連續(xù)式平－立無活套布置，配備有機(jī)架快速更換裝置，可在5分鐘內(nèi)完成產(chǎn)品生產(chǎn)規(guī)格的更換。兩套換輥機(jī)械人設(shè)備可自動(dòng)連接軋機(jī)與軋輥維修區(qū)。在軋輥維修區(qū)，新機(jī)架已經(jīng)過清洗和重新組裝，處于備用狀態(tài)。為確保產(chǎn)品獲得良好的表面質(zhì)量，軋制線配備5臺(tái)除鱗設(shè)備。其中第一臺(tái)為回轉(zhuǎn)式，布置在軋機(jī)入口側(cè)。產(chǎn)品最終尺寸加工精度??（可控制在DIN?1013規(guī)定公差的1/8范圍內(nèi)），由一個(gè)5道次Kocks——達(dá)涅利減徑定徑軋制機(jī)組??（RSB）和用于實(shí)現(xiàn)加工精度自動(dòng)控制的兩個(gè)外形輪廓自動(dòng)檢測(cè)儀來保證。在RSB減定徑機(jī)組前面，設(shè)有一條冷卻線，用于確保軋件在進(jìn)入最終精軋區(qū)之前，達(dá)到所要求的溫度范圍，并保證溫度均勻性??（LTR－低溫軋制）。
長(zhǎng)材產(chǎn)品低溫軋制意味著精軋溫度應(yīng)控制在700℃~820℃范圍內(nèi)。而且更重要的是要確保正在軋制的軋件具有良好的均勻性，以避免因精軋溫度變化而改變材料內(nèi)部組織。
低溫軋制工藝要求軋件獲得細(xì)晶粒顯微組織，以便為最終在線熱處理做好組織準(zhǔn)備。軋制溫度是三個(gè)基本軋制參數(shù)中的一個(gè)，它在整個(gè)熱變形過程中，將影響晶粒組織細(xì)化的各個(gè)階段。晶粒組織細(xì)化和晶粒生長(zhǎng)控制是低溫軋制工藝采用的主要手段。它能夠影響時(shí)間-溫度轉(zhuǎn)變曲線??（如CCT曲線位置），改變晶界長(zhǎng)度，從而改變形核位置。其中溫度是影響整個(gè)工藝過程最重要的熱力學(xué)參數(shù)。
晶粒細(xì)化過程可分為不同的階段，雖然不同階段也可能出現(xiàn)在同一時(shí)間。原始晶粒變形將有增加錯(cuò)位密度的趨勢(shì)，能夠在新生晶粒邊界形成晶核。新晶粒邊界的消失和再生與實(shí)際溫度密切相關(guān)。新晶粒的形成和生長(zhǎng)是一個(gè)熱力學(xué)過程。在不同的階段，會(huì)發(fā)生恢復(fù)、靜態(tài)再結(jié)晶和動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，從而影響流動(dòng)應(yīng)力曲線。最后，晶粒生長(zhǎng)呈現(xiàn)一種趨勢(shì)，那就是使晶界能量最小。正如眾所周知的各種不同化學(xué)成份的理論模型所闡述的那樣，關(guān)鍵溫度決定著晶粒細(xì)化條件和完全再結(jié)晶晶粒生長(zhǎng)結(jié)構(gòu)之間的分界線。隨著碳含量的減少，這種效應(yīng)就會(huì)變得更加明顯。對(duì)于16MnCr這樣的鋼種來說，可以很容易地得到晶粒細(xì)化超過40％的顯微組織。
實(shí)際應(yīng)用中，確保軋制產(chǎn)品在整個(gè)橫斷面上保持在規(guī)定的溫度范圍內(nèi)具有十分重要的意義。特別是當(dāng)軋件表面溫度低于臨界溫度值，而芯部溫度仍然在較高的溫度范圍內(nèi)時(shí)，將有可能形成一種非均勻的最終組織，其中包括晶粒大小和所組成的相。
ONA退火室與冷床布置在一條線上，退火室包括一座煤氣爐。棒材層被輸送到退火室內(nèi)，目的是對(duì)從軋機(jī)區(qū)已經(jīng)開始的熱處理進(jìn)行到底??（緩冷、軟化退火、球化退火、回火）。采用最優(yōu)化布置的燒嘴和使用能夠均勻冷卻的一組對(duì)流風(fēng)機(jī)，可確保退火爐內(nèi)溫度布置均勻一致，從而不僅能夠保證完全不會(huì)出現(xiàn)脫碳現(xiàn)象，而且可確保在棒材長(zhǎng)度方向上，以及各個(gè)棒材之間，獲得均勻一致的機(jī)械性能。
棒材經(jīng)過定尺切割后，將進(jìn)入整個(gè)在線生產(chǎn)工藝過程中的最后兩道重要的生產(chǎn)工序，即在線檢查和精整。棒材精整作業(yè)線由一臺(tái)在線噴丸清理機(jī)、4臺(tái)砂輪鋸、一個(gè)NDT無損檢查站、一個(gè)棒材去毛刺站、一個(gè)堆垛站、多臺(tái)打捆機(jī)和一個(gè)最終收集站組成。
本試驗(yàn)研究的鋼種是最常見的軸承鋼AISI52100。此外，ONA退火爐還對(duì)范圍廣泛的各類合金鋼進(jìn)行了熱處理，其中包括退火和回火處理。
棒材在ONA退火室內(nèi)的移動(dòng)，由步進(jìn)梁式輸送器完成。步進(jìn)梁采用特殊的超耐熱合金鋼制造，內(nèi)部沒有通水冷卻，而且設(shè)有一個(gè)專用機(jī)構(gòu)，使棒材在熱處理過程中不斷翻轉(zhuǎn)，從而可有效避免產(chǎn)品表面形成黑印。燒嘴的合理布置，再加上專用大功率冷卻風(fēng)機(jī)，可確保退火爐內(nèi)溫度分布均勻。燒嘴功率通過布置在每個(gè)加熱區(qū)的高溫計(jì)實(shí)現(xiàn)的負(fù)反饋進(jìn)行控制。
考慮到ONA退火室采用模塊結(jié)構(gòu)形式，模塊基本長(zhǎng)度為25m，因此，可容納25m、50m，直到最大長(zhǎng)度為75m的棒材，在對(duì)Cr/CrMo鋼進(jìn)行等溫退火時(shí)，其最大連續(xù)退火能力可高達(dá)125?t/h。ABS?Luna鋼廠ONA退火室總長(zhǎng)度為50m，以滿足90?t/h的設(shè)計(jì)能力要求。9個(gè)不同的縱向區(qū)和兩個(gè)橫向區(qū)，可有效控制退火爐內(nèi)氣氛溫度。9個(gè)區(qū)內(nèi)配備有雙燒嘴和一個(gè)強(qiáng)制對(duì)流風(fēng)扇，以使?fàn)t內(nèi)氣流分布均勻。該裝置可通過兩種方式促使室內(nèi)空氣循環(huán)，既可以將熱空氣推向ONA退火室入口區(qū)??（順時(shí)針空氣循環(huán)），也可以實(shí)現(xiàn)反向循環(huán)，為位于熱處理爐中部的棒材提供更多的熱量。這樣，就可以為滿足特定的熱處理工藝要求，形成需要的溫度梯度分布。
對(duì)于高碳鉻鋼來說，熱軋產(chǎn)品材料硬度要高于320HB，而這樣的硬度則不適合所有的下列作業(yè)，如冷剪、鋸切等。考慮到珠光體組織強(qiáng)度主要取決于鐵素體與碳化物之間的層間距，因此，要減小軋件在軋制狀態(tài)下的硬度，一種可行的方法是拓寬層間距。可以通過兩種不同途徑來實(shí)現(xiàn)。第一種方法是增加成核點(diǎn)，細(xì)化奧氏體晶粒組織，以使相變能夠在較短的時(shí)間內(nèi)，在較高的溫度下開始。第二種降低冷卻速率，使材料保持在較高的溫度范圍內(nèi)，以便有可能增大層間距。選擇一種或同時(shí)采用上述兩種方法，都有可能降低材料硬度，改善材料的冷剪切或鋸切性能和條件。然而遺憾的是，對(duì)硬化層深度和滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度的最終要求，在很大程度上受到原始組織的影響。考慮到這個(gè)原因，因此有必要開發(fā)一種新的方法，能夠在不影響材料最終機(jī)械性能的條件下，降低材料硬度。
AISI52100軸承鋼碳含量為1%，鉻含量1.5?%，通常以球化退火或軟化退火狀態(tài)供貨。球化退火狀態(tài)的材料顯微組織，非常適合于象鉆孔和切削這樣的機(jī)械加工。事實(shí)上，帶有球狀碳化物、連續(xù)分布的鐵素體組織，對(duì)于此類鋼種來說，具有最好的延展性。這種組織可確保在軸承元件經(jīng)過最終硬化處理后，獲得適中的硬度和良好的抗疲勞破壞性能。經(jīng)過這種熱處理后的硬度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)為200HB。當(dāng)鋼材以軟化退火狀態(tài)供貨時(shí)，其硬度應(yīng)高于200HB，以便順利完成剪切，而不會(huì)產(chǎn)生裂紋和降低剪切刀具使用壽命。球化退火工藝用時(shí)較長(zhǎng)，成為生產(chǎn)成本最高的一種退火工藝。其原因包括：①整個(gè)退火時(shí)間較長(zhǎng)；②大量的棒材捆搬運(yùn)輸送作業(yè)，造成較多的時(shí)間損失；③由于氧化鐵皮生成而造成材料損失；④存在表面脫碳現(xiàn)象；⑤需要在退火后進(jìn)行棒材矯直。
通過試驗(yàn)表明，等溫形成的一種不可分解的珠光體或貝氏體組織，可在退火過程中形成一種更快、而且更均勻的碳化物球化過程。為縮短退火時(shí)間，應(yīng)形成一種組織，它能夠縮短擴(kuò)散距離，從而更有利于促進(jìn)碳化物球化過程。這種組織應(yīng)該是一種最細(xì)小致密的組織，可通過快速冷卻，或者在低溫條件的等溫轉(zhuǎn)變來形成。試驗(yàn)研究的主要目的是完善軋制工藝，確定冷卻路徑和退火工藝，而不需要材料的任何中間存放。
第一次試驗(yàn)軋制用坯料是由連鑄機(jī)生產(chǎn)的200mm×160mm矩形坯，冷卻到室溫后，再冷裝到步進(jìn)梁式加熱爐內(nèi)。
只有當(dāng)精軋溫度降低到720℃時(shí)，晶粒大小才有明顯變化。現(xiàn)在來說在較低溫度軋制，并在冷床上空冷的棒材，材料表現(xiàn)出較高的硬度。其主要原因很可能與珠光體晶粒細(xì)化有關(guān)。考慮到進(jìn)入ONA退火室的目標(biāo)溫度為450℃~500℃，晶粒細(xì)化有助于獲得細(xì)小致密的貝氏體組織，因此將這一溫度確定為RSB減徑定徑軋制機(jī)組標(biāo)準(zhǔn)精軋溫度。
第二次試驗(yàn)在RSB減徑定徑軋制機(jī)組選擇處于中間值的精軋溫度，然后在棒材進(jìn)入冷床之前，由DQS直接淬火系統(tǒng)進(jìn)行快速冷卻。這就是確保在細(xì)化晶粒的同時(shí)，獲得較高硬度值的保證條件。
試驗(yàn)結(jié)果
在試驗(yàn)過程中，選擇了不同的熱處理工藝進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)的首要目標(biāo)是獲得一種可接受的球化組織，其硬度低于200HB，擁有規(guī)則分布的碳化物，而不是呈任何厚片狀或殘余薄片狀分布的碳化物。
考慮到合金鋼種的整個(gè)范圍，為了確保晶粒得到顯著細(xì)化，給定了與精軋機(jī)總壓下量密切相關(guān)的溫度范圍。對(duì)于碳鋼、C-Mn鋼和C-Cr鋼，720℃~800℃的溫度范圍??（當(dāng)碳含量降低時(shí)，溫度相應(yīng)提高）應(yīng)該是一個(gè)最佳值。此時(shí)，要求最小斷面收縮率應(yīng)達(dá)到25％。可以肯定的是，應(yīng)變率將影響再結(jié)晶過程和溫度升高。此時(shí)應(yīng)盡可能提高軋制速度，從而增大應(yīng)變率；而最大軋制道次數(shù)則是增加壓下量的限制因素。
至于ONA退火室設(shè)定溫度如何選擇，其目標(biāo)是最大限度地縮短獲得所需顯微組織的熱處理時(shí)間。對(duì)于含鉻軸承鋼來說，提高退火溫度并不能總是保證能夠縮短熱處理時(shí)間。因?yàn)橛锌赡墚a(chǎn)生粗大的碳化物顆粒，而且最終組織會(huì)出現(xiàn)一種非均勻的碳化物分布。重要的是在退火初期，要擁有許多成核位置，而碳化物則出現(xiàn)在小而分散的多個(gè)地方。
各種組織的最終HB硬度，變化似乎并不太大。這是因?yàn)榇嬖谶@樣一個(gè)事實(shí)，所有分析樣本的球化率，總是高于80％，只有某些轉(zhuǎn)變組織沒有經(jīng)過充分細(xì)化的情況除外。
目前，達(dá)涅利已經(jīng)開發(fā)一套完整的AISI52100不銹鋼熱處理工藝，以完善直接從軋機(jī)開始的球化退火。精軋溫度、等溫轉(zhuǎn)變啟始溫度，以及退火溫度和時(shí)間等工藝參數(shù)均得到優(yōu)化，從而使材料內(nèi)部組織的球化率大于80％，而最終硬度則低于220HB。ONA退火室目前已投入到實(shí)際生產(chǎn)中，用于等溫退火和回火，從而使整個(gè)熱處理周期縮短到只用2個(gè)小時(shí)，而且在材料硬度和碳化物分布方面，均得到令人滿意的結(jié)果。
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